[논문 리뷰] Wireless Communications Through Reconfigurable Intelligent Surfaces

Ertuğrul Başar, Marco Di Renzo외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 93인용 수 145

한 줄 요약

본 논문은 RIS-enabled 무선 네트워크를 조사하고, 기본 개념, 모델링, 성능 한계, 재전이(relaying) 및 백스캐터와의 구분을 제시하며, 예시적인 두-레이 모델과 통합 SISO RIS 프레임워크를 포함한다.

ABSTRACT

The future of mobile communications looks exciting with the potential new use cases and challenging requirements of future 6th generation (6G) and beyond wireless networks. Since the beginning of the modern era of wireless communications, the propagation medium has been perceived as a randomly behaving entity between the transmitter and the receiver, which degrades the quality of the received signal due to the uncontrollable interactions of the transmitted radio waves with the surrounding objects. The recent advent of reconfigurable intelligent surfaces in wireless communications enables, on the other hand, network operators to control the scattering, reflection, and refraction characteristics of the radio waves, by overcoming the negative effects of natural wireless propagation. Recent results have revealed that reconfigurable intelligent surfaces can effectively control the wavefront, e.g., the phase, amplitude, frequency, and even polarization, of the impinging signals without the need of complex decoding, encoding, and radio frequency processing operations. Motivated by the potential of this emerging technology, the present article is aimed to provide the readers with a detailed overview and historical perspective on state-of-the-art solutions, and to elaborate on the fundamental differences with other technologies, the most important open research issues to tackle, and the reasons why the use of reconfigurable intelligent surfaces necessitates to rethink the communication-theoretic models currently employed in wireless networks. This article also explores theoretical performance limits of reconfigurable intelligent surface-assisted communication systems using mathematical techniques and elaborates on the potential use cases of intelligent surfaces in 6G and beyond wireless networks.

연구 동기 및 목표

• 무선 전파 환경을 제어 불가능한 상태에서 제어 가능한 상태로 바꾸려는 재구성 가능한 지능형 표면의 사용을 촉진한다.
• RIS-지원 링크를 분석하기 위한 수학적 프레임워크를 제시하고, 주요 성능 트렌드와 확장 법칙을 도출한다.
• RIS를 릴레이 및 백스캐터와 구분하고, 실용적 설계 고려사항과 해결해야 할 연구 문제를 논의한다.
• 잠재적 6G 및 그 이후의 사용 사례와 스마트 라디오 환경에서 RIS의 역할을 탐구한다.

제안 방법

• RIS 개념을 소개하고 전통적 전파 및 관련 기술과의 차이점을 대조한다.
• 간단한 해석적 모델(두-레이 및 RIS-지원 두-레이)을 사용하여 RIS 유무에 따른 전력 스케일링을 보여준다.
• LOS, 지면 반사 및 RIS-지원 경로에 대한 수신 전력 표현을 도출하고 다중 소자 RIS 이득을 포함한다.
• 단일 입력 단일 출력(SISO) RIS 시스템 모델 r = g^T Phi h x + n 을 제공하고 코히런트 결합을 위한 위상 정합을 논의한다.
• 반사 배열, 가변 커패시터 기반 조정 가능한 패치, 소프트웨어 정의 표면을 포함한 하드웨어 구현 및 재구성 가능한 메타-표면에 대해 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이상적인 위상 정합하에서 RIS가 없는 경우의 d^-4에서 RIS가 있는 경우의 d^-2로 수신 전력의 거리 스케일링을 어떻게 바꿀 수 있는가?
• RQ2 스케일링 법칙과 에너지 효율성 측면에서 RIS, 릴레이, 백스캐터의 근본적인 차이는 무엇인가?
• RQ3 RIS가 무선 채널과 성능에 미치는 주된 효과를 포착하는 간단한 모델은 무엇인가?
• RQ4 빔 스티어링 및 위상 제어를 위한 RIS의 구현과 프로그래밍 가능성을 위한 실용적 하드웨어 접근법은 무엇인가?
• RQ5 향후 무선 네트워크(6G 및 그 이후)에 RIS를 통합할 때 제기되는 미해결 연구 이슈는 무엇인가?

주요 결과

• 단일 RIS는 이상적인 위상 정합으로 수신 전력 스케일링을 역 제4승에서 역 제2승으로 바꿀 수 있으며, 큰 N일 때 상당한 이득을 제공한다.
• 총 RIS 이득은 완벽한 위상 정합하에서 (N+1)^2로 스케일링되며, 제어 가능한 메타표면 소자의 수에 대해 2차 이득을 나타낸다.
• RIS는 거의 수동적이고 소프트웨어로 프로그래밍 가능하며 전 대역 솔루션으로, 활성 릴레이나 백스캐터 확산에 의존하지 않으며 기존 릴레이와는 다른 경로 손실 특성을 갖는다.
• 간단한 RIS-지원 SISO 모델 r = g^T Phi h x + n 은 위상 시프트 Phi에 의해 여러 반사 경로의 코히런스 결합을 포착한다.
• 물리적 구현에는 메타-표면 타일, 가변 커패시터로 조정된 공진기, 액정 기반 방식, 소프트웨어 정의 EM 응답을 가능하게 하는 HyperSurfaces가 포함된다.
• 두-레이 일러스트는 RIS가 LOS와 반사 성분을 코히런트하게 결합하여 파괴적 지면 반사를 완화하고 링크 예산을 개선할 수 있음을 보여준다.